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Die
Erfindung betrifft eine Prüfanordnung
zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften
einer überlappenden
scherzugbeanspruchten Verbindung. Die Erfindung ist geeignet für – aber nicht
beschränkt
auf – überlappende
Nietverbindungen, insbesondere für den
Wagenkastenrohbau von Schienenfahrzeugen.
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Bisherige
Verfahren zur experimentellen Ermittlung der Steifigkeit sind stark
von der Probengeometrie abhängig.
Es ist bisher nicht möglich,
die Steifigkeit der Punktverbindung von der Geometrie der Probe
und der Elastizität
des Grundwerkstoffes im Bereich, der nicht von der Fügeverbindung
beeinflusst wird zu entkoppeln. Das bedeutet, dass man maximal qualitative
Vergleiche verschiedener Fügeelemente
anstellen kann. Für
FEM-Modelle werden wahre
Steifigkeitswerte benötigt,
die bisher nicht durch derartige Verfahren ermittelbar sind.
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Für die Prüfung von
punktförmigen
Blechverbindungen oder dergleichen werden die unterschiedlichsten
Prüfkörperformen
und Prüfverfahren
verwendet. Für
das Widerstandspunktschweißelement sind
in der DIN 50124 und der DIN 50164 zwei Prüfkörperformen genormt. Diese bestehen
aus zwei rechteckigen Blechstücken,
welche teilweise überlappen
und an einem Punkt im Überlappungsbereich miteinander
verbunden sind.
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Bei
der Scherzugprobe werden zwei Bleche jeweils einendig übereinandergelegt
und dort miteinander verbunden. Sie werden dann in einer Zugprüfmaschine
senkrecht zu ihrer Verbindungsstelle, d. h. parallel zur Erstreckungsebene
der Bleche, wieder auseinandergezogen.
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Bei
der Kopfzugprobe werden die Bleche kreuzweise übereinandergelegt, in der Mitte
miteinander verbunden und anschließend in der Prüfmaschine
parallel zur Verbindungsstelle, d. h. senkrecht zur Ersteckungsebene
der Bleche, auseinandergezogen.
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Weiterhin
ist die Schälzugprobe
bekannt, bei der die Enden der Bleche abgekantet und die abgekanteten
Enden flächig
voreinander gelegt und miteinander verbunden werden. In der Prüfmaschine wird
die Probe parallel zu ihrer Längserstreckung senkrecht
zu den zusammengeführten,
abgekanteten Flächen
auseinandergezogen.
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Aus
der
DE 32 15 789 A1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Zugspannungen
in Nietverbindungen bekannt. Dabei wird zur Messung der mechanischen
Spannung eines Niets, mit dem wenigstens zwei benachbarte Werkstücke verbunden
sind, eines der beiden Werkstücke
an einem Anschlagelement abgestützt.
Ein dem Anschlagelement gegenüberliegendes
Druckelement wird am anderen Werkstück derart angelegt, dass das Druckelement
und das Anschlagelement annäherbar sind.
Das Anschlagelement und das Druckelement bewegen sich aufeinander
zu. Dabei werden die beiden Werkstücke mit einer vorgegebenen
Kraft derart gegeneinander gepresst, dass sie sich elastisch verformen.
Durch die erzeugte Druckspannung kommt es zu einer Längenänderung
des Niets, die gemessen wird.
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Die
DE 197 44 104 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Erfassung einer Dehnung insbesondere kleiner
Proben. Diese umfasst zwei Probenhalter, zwischen denen eine zu
untersuchende Probe aufgespannt und befestigt über den Probenhalter einer Zugkraft
unterworfen wird. Die Probenhalter weisen jeweils ein Paar voneinander
beabstandete Stifte zur haltenden Aufnahme der Probe auf. Die Stifte
sind jeweils auf einer Linie rechtwinklig zur Zugrichtung angeordnet,
wobei zwei Spitzen eines mit der Probe verbindbaren Wegaufnehmers
auf jeweils auf einer gedachten Linie im wesentlichen mittig sich
befindenden gedachten Andruckpunkten greifen.
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Die
DE 37 14 185 A1 beinhaltet
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der axialen Dehnung
an einem in einer Prüfmaschine
eingespannten Probestab. Dabei wird die an zwei Referenzpunkten
abgegriffene Längendehnung
des Probestabes über
eine kombinierte rotatorischtranslatorische Bewegung einer Messeinrichtung
von einem Wegaufnehmer gemessen und registriert.
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In
der
DE 43 38 005 A1 sind
ein Extensometer und eine Lagerung für ein Extensometer offenbart.
Das Extensometer weist einen Grundkörper und mindestens zwei Abgriffschenkel
zum reibschlüssigen
Andrücken
gegen einen Probenkörper
auf. Die Abgriffschenkel sind relativ zueinander bewegbar am Grundkörper angebracht.
Weiterhin beinhaltet das Extensometer einen Signalgeber, der mit
mindestens einem Abgriffschenkel mechanisch gekoppelt ist und ein
Maß einer
Relativbewegung der Abgriffschenkel repräsentierendes Ausgangssignal
liefert. Zum Extensometer gehört
auch eine Lagerungsvorrichtung zum Befestigen des Grundkörpers und
Andrücken der
Abgriffschenkel gegen den Probenkörper. Die Lagerungsvorrichtung
ist derart ausgestaltet, dass der Grundkörper frei beweglich schwimmend
angeordnet ist.
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Aus
der
DE 24 35 068 A1 ist
weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung der Schubverformung einer zusammenhängenden
flächigen
Klebeverbindung zwischen überlappenden
Fügepartnern
unter einer Scherzugbelastung bekannt. Weiterhin ist aus der
DE 33 45 572 A1 neben
dem Eingangs bereits beschriebenen Scherfestigkeitstest eine Vorrichtung zur
Scherfestigkeitsbestimmung bekannt, bei der im Überlappungsbereich verbundene
Fügepartner
einer Scherdruckbelastung unterworfen sind.
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Nachteilig
bei allen aufgezeigten Vorrichtungen und Verfahren ist, dass der
Aufbau, insbesondere die Anbringung von Messfühlern an die Probenkörper bzw.
die Messmethoden kompliziert und daher aufwendig sind. Weiterhin
dienen einige der Vorrichtungen und Verfahren zum Prüfen von
Werkstoffproben, d. h. Grundmaterial und sind daher zur Ermittlung
von Elastizitätseigenschaften
von Verbindungen nicht vorgesehen. Weitere Nachteile ergeben sich durch
Einflüsse
der Prüfvorrichtungen
auf die Messungen, Einflüsse
durch von außen
wirkende Messsysteme sowie Verfälschungen
der Messungen durch Grundmaterialdehnungen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der
Technik zu beseitigen und insbesondere eine Prüfanordnung zur Ermittlung von
Elastizitätseigenschaften
einer überlappender scherzugbelasteter
Verbindung vorzuschlagen, welche einfach, leicht handhabbar und
mit geringen Kosten verbunden sind und mit denen gleichzeitig qualitativ
hochwertige Ergebnisse erzielbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Prüfanordnung
zur Ermittlung von Elastizitätseigenschaften
einer überlappenden
scherzugbelasteten Verbindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
einem mit der erfindungsgemäßen Prüfanordnung
durchgeführten
Prüfverfahren
werden Elastizitätseigenschaften
einer überlappenden scherzugbelasteten
Verbindung ermittelt, indem mindestens zwei Fügepartner, die überlappt
und mit mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind, parallel
zu ihrer Überlappungsfläche und
mit einer eine Scherzugbeanspruchung erzeugenden Last, beispielsweise
einer Zug- oder Druckspannung, beaufschlagt werden und die Relativbewegung
mindestens zweier, auf den beiden Fügepartnern zwischen den Verbindungsstellen
festgelegter Marken zueinander gemessen und aus den dergestalt ermittelten Kraft-
und Wegdaten, die nur den Verformungsprozess in den scherzugbelasteten
Verbindungsstellen widerspiegeln, die Elastizitätseigenschaften für eine einzelne
Verbindungsstelle errechnet werden.
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Die
erfindungsgemäße Prüfanordnung
besteht aus zwei sich überlappenden
Fügepartnern,
die im Überlappungsbereich
durch mindestens zwei Verbindungen miteinander gefügt sind.
Die mindestens beiden Verbindungsstellen sind in der Linie der angreifenden
Prüfkraft
angeordnet und so weit voneinander beabstandet, dass sie sich gegenseitig
nicht beeinflussen können.
Die Lage der beiden Marken ist dabei so gewählt, dass eine Dehnung der
beiden Fügepartner
im Bereich zwischen den Verbindungsstellen sich nicht auf die Lage
der beiden Marken relativ zueinander auswirkt, also z. B. bei einer
in Geometrie und Material symmetrisch aufgebauten Prüfanordnung
in der Mitte zwischen den mindestens beiden Verbindungsstellen.
Eine Relativbewegung der Marken ist dann ausschließlich durch
die Verformung in den Verbindungsstellen verursacht, eine Dehnung
eines Fügepartners
im Bereich zwischen den Verbindungen wird durch eine analoge Dehnung
des anderen Fügepartners
kompensiert, jede Dehnung der Fügepartner
außerhalb
der Verbindungsstellen, jede Dehnung und jedes Spiel in der Prüfkörpereinspannung
und in der Messmaschine bleibt ohne Einfluss. Die Lage und Art der
Marken ist so gewählt,
dass ihre Relativbewegung zueinander mit technischen Mitteln erfassbar
ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Erfassung
der Relativbewegung der mindestens beiden Marken, die auf den einander
zugewandten Überlappungsflächen der
beiden Fügepartner
und anfangs einander gegenüberliegend festgelegt
sind, ein Runddraht zwischen die beiden Fügepartner eingespannt, der
einer Relativbewegung der zueinander gewandten Oberflächen durch Drehung
folgt und dessen Drehwinkel in an sich bekannter Weise erfassbar
und in die zugehörige
lineare Bewegung umrechenbar ist. In bevorzugter Weise wird der
Durchmesser des Runddrahtes möglichst klein
gewählt
und sein Material derart, dass seine Oberfläche und Rundheit durch den
zwischen beiden Fügepartnern
senkrecht zur Überlappungsfläche ausgeübten Druck
nicht geschädigt
wird.
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Die
Relativbewegung der mindestens beiden Marken zueinander ist jedoch
auch mit anderen technischen Mitteln erfassbar: Optisch wahrnehmbare Marken
sind beispielsweise visuell, z. B. mittels Lichtmikroskop verfolgbar;
die Bewegung reflektierender Marken ist mit Reflexionstechniken
auswertbar.
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Die
Fügepartner
können
beispielsweise Bleche, ein Gussteile oder Strangpressprofile sein.
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Die
Verbindungen können
beispielsweise Nietverbindungen, Punktschweißverbindungen, Lochschweißverbindungen,
Kehlnahtschweißverbindungen,
Schraubverbindungen oder ähnliche, überlappende
Teile miteinander fügende
Verbindungen sein.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Bestimmung der Elastizitätseigenschaften bei
geringem Aufwand sehr genau ist und Verfälschungen weitgehend vermieden
werden. Weiterhin werden Einflüsse
durch Prüfvorrichtung
und Einspannung eliminiert. Bei symmetrischer Beanspruchung der
Verbindungen wird der Einfluss der Grundmaterialdehnungen aufgehoben.
Es werden die von der Höhe
der Scherzugbeanspruchung abhängigen Elastizitäten aufgezeigt.
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Die
Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
nachfolgend näher
erläutert.
Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich
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1 eine
Prüfanordnung
in Draufsicht,
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2 die
Prüfanordnung
in Seitenansicht mit Ausschnittvergrößerung,
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3 eine
Ausschnittvergrößerung der Prüfanordnung
und
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4 eine
zweite Prüfanordnung.
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Beispiel 1:
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Die
Einflüsse
durch den Grundwerkstoff in der Prüfanordnung zwischen den Fügepunkten
einerseits und zwischen den Fügepunkten
und der Einspannung andererseits werden ausgeschlossen, in dem eine
vollständige
Symmetrie um 180° um
einen Sensordrehpunkt realisiert wird.
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Die
Prüfanordnung
besteht in diesem Ausführungsbeispiel
nach den 1 bis 3 aus zwei rechtwinkligen,
sich überlappenden,
planparallelen Blechen 1, 2 gleichen Grundmaterials
und gleicher Dicke. Im Überlappungsbereich 3 sind
auf der Längsachse
der Bleche 1, 2 symmetrisch zwei Nietverbindungen 4, 5 angeordnet,
die die Bleche 1, 2 miteinander verbinden.
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Die
Nietverbindungen 4, 5 bestehen aus je einem Niet
und in beiden Blechen eingebrachten Bohrungen. Die Fügerichtung
der beiden Nietverbindungen 4, 5 ist um 180° entgegengesetzt,
damit die Symmetrie eingehalten wird. An den Enden der Bleche 1, 2 können die
Bleche 1, 2 in eine Vorrichtung eingespannt und
mit einer Zugspannung beaufschlagt werden. Die Zugspannung wirkt
dabei in Richtung der Längsachse 6 der
Bleche 1, 2. Zwischen den Blechen 1, 2 und
mittig zwischen den beiden Nietverbindungen 4, 5 befindet
sich ein Draht 7. Dieser ist orthogonal zur Längsachse 6 der
Bleche 1, 2 und parallel zur Überlappungsebene bzw. zu den Blechen 1, 2 angeordnet.
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Am
Draht 7 ist eine Anzeigevorrichtung 8 (Drehwinkelmessapparatur)
angebracht, die zur Ermittlung des Drehwinkels des Drahtes 7 dient.
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Beim
Beaufschlagen der Bleche 1, 2 mit einer Zugspannung
wird der Draht 7, abhängig
von der Höhe
der Scherzugbeanspruchung der Nietverbindungen 4, 5 um
einen bestimmten Drehwinkel gedreht.
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Die
Erfassung der Drehung des Drahtes 7 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über einen
hochgenauen Drehgeber mit einer maximalen Messabweichung von 0,07° (entspricht
bei 1 mm Drahtdurchmesser einem Fehler von 0,0006 mm) Der Drehgeber
muss während
des Versuches mit halber Prüfgeschwindigkeit
in gleicher Richtung mitlaufen, um eine Belastung des Drahtes 7 durch
Biegekräfte
und daraus resultierende Fehler zu vermeiden.
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Aus
dem Durchmesser des Drahtes 7 und dem Drehwinkel lässt sich
der Weg bestimmen, den die Bleche 1, 2 relativ
zueinander zurückgelegt
haben. Aus dem zurückgelegten
Weg und der Scherzugbeanspruchung lässt sich z. B. die Steifigkeit
in Abhängigkeit
von der Scherzugbeanspruchung ermitteln.
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Das
Abrollen des Drahtes 7 zur Berechnung der örtlichen
Deformationen ist in 3 dargestellt. Die Verschiebung Δs der beiden
Bleche 1, 2 am Ort des Drahtes 7 kann über einfache
geometrische Beziehungen hergeleitet werden, wobei d, den Drahtdurchmesser, Δφ den Drehwinkel
des Drahtes und F die Zugkraft bezeichnet:
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Die
Steifigkeit c pro Punkt ergibt sich dann zu
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Zur
Auswertung der Versuche können
in den quasilinearen Bereichen der Kraft-Weg-Kurve über lineare
Regression Steifigkeiten berechnet werden. Bei den meisten der Prüfanordnungen
waren zwei typische quasilineare Bereiche der Kraft-Weg-Kurve zu beobachten.
Der Grund hierfür
ist darin zu sehen, das die Verbindung bei Belastungsbeginn durch
den vorhandenen Reibschluss trägt,
bei entsprechend höheren
Belastungen jedoch Lochlaibung einsetzt. Die Regressionsgeraden
haben durchgängig
einen Korrelationskoeffizienten von R2>0.9. Die unterschiedlichen
Tragmechanismen führen
dann zu verschiedenen Steifigkeiten der Verbindung.
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Bei
derartigen Scherzugbeanspruchung kommt es zu mehreren Effekten.
Dies sind im wesentlichen:
- a) eine elastische
und/oder plastische Verformung des Niets,
- b) eine elastische und/oder plastische Verformung der Bohrung,
z. B. Lochlaibung
- c) eine Nietkippung,
- d) eine Grundmaterialverformung,
- e) Effekte, verursacht durch die Messapparatur,
- f) Effekte, verursacht durch die Art der Einspannung der Bleche,
- g) Dehnung durch äußere Einflüsse, z.
B. Temperatur und
- h) Effekte, verursacht durch eine Bypassdehnung.
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Durch
die Messung der Drehung des Drahtes 7 und die symmetrische
Anordnung der Bleche 1, 2 im Überlappungsbereich 3,
der Nietverbindungen 4, 5 und des Drahtes 7 werden
die auf die Messung der Elastizitätseigenschaften, insbesondere
der Steifigkeit der Nietverbindungen 4, 5 negativ
beeinflussenden Effekte d) bis h) eliminiert. Dies erhöht wesentlich
die Genauigkeit der Messung, so dass eine Ermittlung der Steifigkeit
in Abhängigkeit
von der Scherzugbeanspruchung ermöglicht wird.
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Die
Relativbewegung der Bleche 1, 2 in der unmittelbaren
Umgebung des Drahtes 7 wird ausschließlich durch Deformationen an
den Fügepunkten
verursacht. Sämtliche
elastischen und plastischen Verformungen im Grundwerkstoff beider
Bleche 1, 2 treten aufgrund der Symmetrie der
Prüfanordnung
jeweils beidseitig des Drahtes 7 auf und heben sich deshalb
auf.
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Die
Effekte beim Überwinden
des Reibschlusses zwischen den Blechen 1, 2 und
der Kompensation des Spieles zwischen Bolzen und Lochlaibung werden
mit erfasst.
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Selbst
bei nicht symmetrisch aufgebauter Prüfanordnung, beispielsweise
bei unterschiedlichen Materialien der Bleche 1, 2 oder
durch unterschiedliche Blechdicken, werden die sich auf das Messergebnis
negativ auswirkenden Effekte d) bis h) verringert. Bei nicht symmetrisch
aufgebauten Proben (keine 50/50 Aufteilung auf die Verbindungen)
werden nur e) und f) eliminiert, die Effekte d), g) und h) können nicht
vollständig
herausgefiltert werden.
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Entscheidend
ist, die Kraftverteilung zwischen den mindestens zwei Verbindungen
gleichmäßig zu verteilen.
Für eine
korrekte Messung ist also nicht unbedingt eine vollständige Symmetrie,
sondern die gleichmäßige Kraftverteilung
in den Verbindungen erforderlich. Diese kann beispielsweise erreicht
werden durch eine vollständige
Symmetrie (wie in diesem Ausführungsbeispiel,
aber auch durch eine Symmetrie der Elastizitätseigenschaften der Grundmaterialien
(z. B. bei der Verbindung Aluminium/Stahl muss das Aluminium dreimal
dicker sein als das Stahl-Blech, da der E-Modul des Aluminiums nur ein
Drittel dem E-Modul von Stahl beträgt) oder durch eine Symmetrie
der Elastizitätseigenschaften
der Grundmaterialien (z. B. bei der Verbindung Stahl/Stahl mit ungleichen
Wandstärken
wird die dickere Wandstärke
im Bereich der Fügung
einseitig auf die zu messende dünnere
Wandstärke
reduziert z. B. durch Stirnfräsen).
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Beispiel 2:
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Eine
gleichmäßige Kraftverteilung
kann auch erreicht werden, wenn die Lasteinleitung nicht am Ende
der Probe sondern als Linienlast über zwei Schenkel eingebracht
wird, siehe 4.
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In 4 sind
U-Profilstege 9 zur linienförmigen Lasteinleistung mit
Löchern 10 für eine steife Vorrichtung
und eine U-Profil-Fügeebene 11 mit
zwei Fügungen 12 und
(nicht dargestelltem Draht) in der Mitte dargestellt. Die den Blechen 1, 2 im
ersten Ausführungsbeispiel
entsprechenden Bleche wurden verbreitert und zu einem U-Profil gebogen,
die Lasteinleitung erfolgt über
die entstehenden U-Profilstege 9 als
Linienlast. Damit ist eine gleichmäßige Lastverteilung auch bei
unterschiedlichen Materialien gewährleistet.
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Beispiel 3:
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Eine
gleichmäßige Kraftverteilung
kann auch erreicht werden, wenn zwei Scheiben miteinander verbunden
werden, die über
ein Torsionsmoment belastet werden. Dies entspricht einer linienförmigen Lasteinleitung.
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Beispiel 4:
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Möglich ist
auch, den symmetrischen Teil der Prüfanordnung als Prüfvorrichtung
auszubilden (z. B. zwei dicke Stahlbleche). An den Verbindungsstellen besitzt
die Prüfvorrichtung
zwei „große" Löcher, die mit
zu prüfenden
Fügungen „gefüllt" werden (z. B. zwei
Unterlegscheiben gefügt
und in das Durchgangsloch eingepresst).
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Bei
allen Ausführungen
kann zusätzlich durch
Messung der Nietkippung auch dieser Effekt c) bei der Bestimmung
der Elastizitätseigenschaften berücksichtigt
und somit z. B. für
zweischnittige Verbindungen eliminiert werden. Die Messung der Nietkippung
erfolgt beispielsweise mittels eines auf dem Niet angebrachten Reflektors,
der einen auf ihn gerichteten Laserstrahl reflektiert. Durch die
Messung des Einfalls- bzw. Ausfallwinkels des Laserstrahls lässt sich
die Nietkippung messen.
